2023太阳能光热发电吸热塔风致效应

太阳能光热发电吸热塔风致效应2023.0622目录概述 1研究背景 1主要图纸 2研究内容 3研究思路 3结构材料 3分析荷载及计算参数 4楼面荷载 4风荷载 4钢结构塔风荷载 4混合结构塔风荷载 54.3位移和变形 5吸热塔抗风分析 6计算参数与计算模型 6顺风向风振计算 10顺风向风荷载规范算法 10顺风向风荷载时程模拟 12顺风向风振响应计算结果 14横风向风振计算 154.4小结 175.结论 1911概述研究背景2432315.7m地带，太阳能资源丰富。本文将采用两种结构形式对其进行抗风分析，分别为：（1）150MW钢结构方案；（2）混合结构方案（200，200上至塔顶采用钢结构本课题研究的主要目的是厘清以上两种结构形式在风荷载下的结构受力性能，并采用中国规范校核评估结构的安全可靠度，为在国内推广应用奠定基础。图1.1效果图22主要图纸图1.2总体布置图1.3平台标高示意图PAGEPAGE12 图1.4各平台钢构件布置示意图研究内容依据现有规范和相关文献资料，按照要求，对150MW级机组钢结构吸热塔和混合结构吸热塔进行拓展性的研究，研究内容如下：采用规范计算方法进行风荷载作用下结构响应的分析；采用风荷载时程，计算结构在动力风荷载作用下的响应。研究思路模型建立模型建立验证模型正确性规范风荷载分析考察常规设计指标风荷载时程分析对比时程分析结果与规范计算结果结构材料由于本研究报告所做分析均为弹性分析，因此仅涉及材料的密度与弹性模量，如表2.1所示。表2.1结构材料性质混凝土钢材密度（Kg/m3）25007800弹性模量（MPa）30000200000分析荷载及计算参数楼面荷载本工程常用结构荷载取值按《建筑结构荷载规范》。特殊设备荷载由有关方提供。结构构件自重根据材料容重和结构截面尺寸见表3.2。表3.2构件材料自重材料名称容重钢筋混凝土25.0KN/m3钢材78.0KN/m3结构内部平台、顶部平台使用活载见表3.3。表3.3楼面活荷载区域名称活荷载标准值（kN/m2）说明内部平台5.0250.9m标高平台8.0顶部平台5.0顶部起吊荷载见荷载参考文件风荷载钢结构塔风荷载顺风向风效应根据工艺提供的数据，设计基本风压值为1.17KN/m2，地面粗糙度为A类。（500092012，用于基本结构体系设计准则：wk=βzμsμzw0——风荷载标准值；——风振系数，按GB50009-2012公式8.4.3计算；GB50009-20128.3.1331.1；——风压高度变化系数，按GB50009-2012表8.2.1，地面粗糙度为A类；0——基本风压，1.17KN/m2。0计算结构承载力和位移时结构阻尼比取0.01。横风向风效应根据《高耸结构设计规范》（GB50135-2006）4.2.12条执行。混合结构塔风荷载顺风向风效应根据工艺提供的数据，设计基本风压值为1.17KN/m2，地面粗糙度为A类。（501352006，用于基本结构体系设计准则：wk=βzμsμzw0——风荷载标准值；——风振系数，按GB50135-2006式4.2.9计算；——风荷载体型系数，根据GB50135-2006表4.2.7取值；——风压高度变化系数，按GB50135-2006表4.2.6-1取值，地面粗糙度为A类；0——基本风压，1.17KN/m2。0计算结构承载力和位移时结构阻尼比取0.01。横风向风效应（GB50135-2006）4.2.12横向共振引起的等效静风荷载按照式（4.2.12-4）计算。位移和变形位移验算按以下要求进行：（GB50051-2013）3.2.161/1001/300。变形验算按照工艺提出的要求进行校核。吸热塔抗风分析计算软件本文采用通用有限元ANSYS对混凝土-钢混合结构吸热塔进行静力风荷载分析及动力风荷载分析。结构基本情况见表4.1。项目光热塔结构类型底部混凝土-上部钢结构混合塔体结构建筑结构安全等级一级结构设计使用年限50年结构设计基准期50年结构重要性系数1.1抗震设防重要性类别重点设防类（乙类）地基基础设计等级甲级建筑桩基础设计等级甲级高度下部塔架高200m吸热器顶部高243m级别A级标准层平面尺寸（m）23.0×23.0表4.1混合结构塔结构基本情况结构计算分析参数见表4.2项目光热塔混凝土容重25KN/m3钢材容重78KN/m3嵌固端地下室顶板基本风压承载力计算\位移计算1.17KN/m2体型系数GB50009-2012续表8.3.1中第37项地面粗糙度A类顺风向风振考虑横风向风振验算计算模型

表4.2混合结构塔计算分析参数分析方法及模型建立ANSYS风荷载包括按照规范进行静力分析和随机风荷载动力分析。ANSYSStick3D，Stick3DStick31BEAM34.33Dshell63BEAM188（桁架形式进行了简化及统一凝土部分的空间桁架利用刚性楼板代替。ANSYS3D4.1质点编号标高(m)质点总质量(kg)层号层直径(m)截面面积(m^2)截面抗弯惯性矩（m^4)00.000.00122.9043.172615.8717.50784826.04222.7142.812548.25215.00777970.73322.5242.442481.80322.50771115.43422.3242.072416.51430.00764260.12522.1341.712352.38537.50757404.81621.9341.342289.40645.00750549.51721.7440.982227.55752.50743694.20821.5540.612166.83860.00736838.89921.3540.252107.22967.50729983.581021.1639.882048.711075.00723128.281120.9639.521991.301182.50716272.971220.7739.151934.971290.00709417.661320.5838.781879.711397.50702562.351420.3838.421825.5214105.00695707.051520.1938.051772.3715112.50688851.741620.0537.781734.0716120.00518215.531720.0028.271321.1217127.50518215.531820.0028.271321.1218135.00518215.531920.0028.271321.1219142.50518215.532020.0028.271321.1220150.00518215.532120.0028.271321.1221152.65557986.762220.0028.271321.1222164.00561915.342320.0028.271321.1223168.50495960.342420.0028.271321.1224180.00771511.752520.0028.271321.1225190.10775799.502620.0028.271321.1226200.00346177.702715.7022.20890.2427207.50761251.102815.7022.20890.2428214.6044215.092915.7022.20890.2429222.66167823.723015.7022.20890.2430230.85272231.493115.7022.20890.2431243.00272431.04表4.3Stick模型基本参数（a）结构模型 （b）上部钢结构细部 （c）钢桁架细部图4.1ANSYS结构计算模型计算参数1）材料32）荷载采用了1倍恒载+0.5倍活载的组合，恒活载取值见本文4.1节。结构基本动力特性3D44.444.2。3DStick如表4.5所示，三个计算结果基本吻合，认为模型基本特性可靠。阶数 1 2 3 4T周(s) 3.65 2.66 1.84 1.47表4.43D模型前4阶自振周期第1阶振型（X）

第2阶振型（Y）

第3阶振型（局部扭转）

第4阶振型（X向平动）图4.2结构前4阶振型混凝土弹性模量折减0.851西北院结果STICK3D周期(s)3.663.653.27比值21.121.12/表4.5模态分析结果注：1.根据《高耸结构设计规范》，计算结构自振特性时，混凝土高耸结构截面特性取0.85；计算正常使用极限状态时，混凝土高耸结构截面特性取0.65；有限元模型依据规范对混凝土弹模进行折减。2.比值指的是同济的计算结果与西北院的结果的比值。顺风向风振计算顺风向风荷载规范算法计算参数质点编号标高(m)风压高度变化系数uz体形系数us风振系数beta风压w=w0*us*uz*beta集中风荷载（kN)质点编号标高(m)风压高度变化系数uz体形系数us风振系数beta风压w=w0*us*uz*beta集中风荷载（kN)17.501.290.521.010.79135.87215.001.520.521.020.94160.75322.501.680.521.021.04175.66430.001.800.521.031.12187.56537.501.890.521.041.19198.16645.001.980.521.051.26207.07752.502.050.521.061.32215.32860.002.120.521.071.38223.62967.502.180.521.091.44231.301075.002.240.521.101.50238.461182.502.290.521.121.56245.181290.002.340.521.141.61251.521397.502.380.521.151.67257.5114105.002.420.521.171.72263.2115112.502.470.521.191.78269.8116120.002.500.521.201.83275.6917127.502.540.521.221.88282.7418135.002.580.521.241.94291.5719142.502.610.521.262.00300.3620150.002.640.521.282.06209.1821152.652.650.521.292.09292.1122164.002.700.521.322.17343.2623168.502.720.521.332.20351.5424180.002.760.521.362.28493.5525190.102.800.521.382.35470.1426200.002.830.521.412.42421.8827207.502.860.461.622.49285.6028214.602.880.461.642.55303.1629222.662.900.461.682.62333.8930230.852.930.461.712.69429.2031243.002.970.461.742.78265.33表4.6各标高处顺风向风荷载计算结果分析结果按照规范方法计算顺风向风荷载作用下结构的响应，结构底部反力如表4.7所示，各层位移如表4.8所示，各层位移如图4.3所示。Stickmodel

Fx（底部剪力（N）Fy（竖向反力（N）Mz（弯矩8.65E+06 1.83E+08 1.22E+093Dmodel 8.64E+06 2.01E+08 1.21E+09西北院 1.35E+07 1.92E+08 2.02E+09表4.7顺风向风荷载作用下结构反力节点高度（m) 位移(m) 混凝土弹模折减0.65STICK 3D17.58.63E-04 3.33E-032153.41E-03 6.00E-03322.57.59E-03 1.02E-024301.34E-02 1.57E-02537.52.06E-02 2.23E-026452.94E-02 3.01E-02752.53.95E-02 3.90E-028605.10E-02 4.89E-02967.56.38E-02 5.42E-0210757.78E-02 6.53E-021182.59.30E-02 7.74E-0212901.09E-01 9.03E-021397.51.27E-01 1.04E-01141051.45E-01 1.18E-0115112.51.64E-01 1.34E-01161201.84E-01 1.50E-0117127.52.05E-01 1.65E-01181352.26E-01 1.81E-0119142.52.48E-01 1.97E-01201502.70E-01 2.13E-0121152.72.78E-01 2.20E-01221643.13E-01 2.48E-0123168.53.27E-012.59E-01241803.63E-012.89E-0125190.13.96E-013.15E-01262004.27E-013.40E-0127207.54.52E-013.84E-0128214.64.75E-014.35E-0129222.75.01E-014.86E-0130230.95.27E-015.25E-01312435.66E-015.77E-01表4.8顺风向风荷载作用下结构各层位移图4.3顺风向风荷载作用下结构层位移图顺风向风荷载时程模拟模拟方法沿结构高度取31个点，采用线性滤波法中的自回归模型生成风时程，其基本假定如下：任意一点处平均风速不随时间改变；脉动风速时程是零均值平稳随机过程；风速时程间具有空间相关性。风速谱采用Davenport谱，其表达形式如下：()——风速谱；——风的频率；

x2Sv(n)=4kv̅102 ,xn(1+x2)4/3

1200nv̅10——表征地面粗糙度的系数；10m计算参数取值Davenport10m[0.001,10]HzA10m高度处的平均风速为43.66m/s。时程风荷载取样3175m、150m243m4.4Davenport4.5所示（对数坐标组成接近。 图4.4风压时程与风速时程取样图4.5目标功率谱vs实际功率谱顺风向风振响应计算结果本文主要列举了工程中较为关心的塔顶、200m4.64.7200m4.84.94.10 图4.6塔顶位移、速度、加速度响应时程图4.7200m平台处位移、速度、加速度响应时程图4.8基底反力时程底部剪力（N）竖向反力（N）弯矩（N·m）3Dmodel静力8.64E+062.01E+081.21E+09西北院1.35E+071.92E+082.02E+09动力风（MAX）3Dmodel9.15E+062.86E+081.19E+09比值*1.06\0.98243m处位移（m）243m处位移（m）200m处位移(m)静力3Dmodel 5.77E-013.40E-01西北院 6.66E-013.95E-01动力风 3Dmodel 4.17E-01 2.48E-01（112.4s） （0.65）比值* 0.720.73（混凝土弹模折减0.65）表4.10位移对比结果*比值按照3D模型动力计算结果/3D模型静力计算结果计算得到。横风向风振计算按照规范方法计算横风向风荷载作用下结构的响应，结构底部反力如表4.11所示，各层位移如表4.12所示，各层位移如图4.9所示。Stickmodel

Fx（底部剪力（N）Fy（竖向反力（N）Mz（弯矩4.65E+06 1.83E+08 8.82E+083Dmodel 4.65E+06 2.01E+08 \西北院 5.32E+06 1.92E+08 9.52E+08表4.11横风向风荷载作用下结构反力节点 高度

位移(m) 混凝土弹模折减0.65 STICK3D17.56.27E-041.71E-032152.49E-032.89E-03322.55.57E-034.97E-034309.85E-037.83E-03537.51.53E-021.15E-026452.19E-021.58E-02752.52.96E-022.09E-028603.84E-022.67E-02967.54.83E-022.98E-0210755.92E-023.66E-021182.57.11E-024.41E-0212908.40E-025.21E-021397.59.78E-026.07E-02141051.12E-016.99E-0215112.51.28E-017.96E-02161201.44E-018.98E-0217127.51.61E-011.00E-01181351.79E-011.11E-0119142.51.97E-011.22E-01201502.16E-011.33E-0121152.72.23E-011.38E-01221642.53E-011.57E-0123168.52.65E-011.65E-01241802.96E-011.85E-0125190.13.24E-012.03E-01262003.52E-012.21E-0127207.